电压转换器电路及射频开关的制作方法

1.本实用新型涉及射频开关芯片技术领域，具体为一种电压转换器电路及射频开关。


背景技术：

2.随着移动通信技术的高速发展，移动手机、电脑等对射频开关性能的要求越来越高，射频是无线产品的关键部件，射频开关包括射频开关芯片，芯片的基板上分布有射频开关、放大器、双工器、射频滤波器等，其中，射频开关用于实现射频信号接收与发射的切换，放大器用于实现接收通道或发射通道的射频信号放大，射频滤波器用于将特定频段外的信号滤除。射频开关芯片中设置有带隙基准电压电路，带隙基准电压电路作为射频开关芯片的通用基础模块，需要满足2.5v～5v的宽电压范围要求。
3.目前，在射频前端wifi开关芯片中，基于gpio接口的射频开关的内部偏置电压通常由电压源vdd、控制电压vctrl提供，如图1所示，电压源vdd经电压转换器转换为内部偏置电压，控制电压vctrl经电平转换器转换为内部控制电压，目前常用射频开关芯片中，电压转换器包括带隙基准电压电路、ldo电路、mos管等，带隙基准电压电路、ldo电路的工作电压为2.5v～5v，mos管额定电压为2.5v，对于5v电压需求的基站等应用场合，mos管的耐压性较差，极易因超过mos管的额定工作电压而损坏，如果要满足5v电压要求，提升耐压效果，电压转换器中需要堆叠设置至少两个mos管，并且为了获得相同的电流导通能力，两个mos管需为大尺寸结构，这不仅增加了mos管的工艺复杂度以及射频开关芯片的复杂度，而且使射频开关芯片的体积成倍增加，无法满足射频开关的微型化要求。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种电压转换器电路，其可提升射频开关芯片的耐压性，保证射频开关芯片可靠工作，同时可满足射频开关的微型化要求。
5.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种电压转换器电路，其包括带隙基准电压电路、第一ldo电路、第二ldo电路，其特征在于，其还包括第一分压单元、与第一分压单元串联的第二分压单元、并联的第一开关单元与第二开关单元，所述第一分压单元、第一开关单元、第二开关单元的输入端均连接电压源vdd，所述第一分压单元的输出端分别连接所述第二分压单元的输入端、第一开关单元与第二开关单元的控制端，所述第一开关单元的输出端分别连接所述带隙基准电压电路的输入端、第一ldo电路的输入端，所述第二开关单元的输出端连接所述第二ldo电路的输入端，且所述带隙基准电压电路的输出端分别连接所述第一ldo电路、第二ldo电路，所述第一分压单元包括电阻r1，所述第二分压单元包括若干串联的二极管，所述第一开关单元、第二开关单元均由mos管构成。
7.其进一步特征在于，
8.所述第二分压单元包括四个依次串联的二极管d1～d4；
9.所述第一开关单元包括mos管n1，所述第二开关单元包括mos管n2，所述mos管n1、n2均为nmos管；
10.其还包括滤波单元，所述滤波单元包括电阻r2、r3，所述电阻r2、r3一端连接所述电压源vdd，所述电阻r2另一端连接所述第一开关单元输入端，所述电阻r3另一端连接所述第二开关单元输入端；
11.进一步的，所述电阻r1、r2、r3一端均连接电压源vdd、第一ldo电路的第一输入端，所述电阻r2、r3的另一端分别串联所述mos管n1、n2的源极，所述电阻r1另一端分别连接所述mos管n1、n2栅极、二极管d1阳极，所述mos管n1漏极输出偏置电压vreg_ana，并分别连接所述带隙基准电压电路的输入端、第一ldo电路的第二输入端，所述mos管n2漏极输出偏置电压vreg_dig，并连接所述第二ldo电路的第一输入端，所述带隙基准电压电路的输出端包括：第一输出端～第四输出端，所述第一输出端、第二输出端、第三输出端分别输出电压参考电压vref、偏置电流ib1、ib2，所述第一输出端分别连接所述第一ldo电路、第二ldo电路，给所述第一ldo电路、第二ldo电路提供参考电压vref，所述第二输出端连接所述第一ldo电路，给所述第一ldo电路提供偏置电流ib1，所述第三输出端连接所述第二ldo电路，给所述第二ldo电路提供偏置电流ib2，所述二极管d4阴极、带隙基准电压电路的第四输出端、第一ldo电路的输出端、第二ldo电路的输出端均接地；
12.进一步的，所述电压源vdd为高电压，所述高电压为5v，所述mos管n1、n2的工作电压分别为1/2*vdd；
13.进一步的，所述电阻r1的电阻值为500千欧，所述电阻r2、r3的电阻值均为1千欧～2千欧。
14.一种电压转换器电路控制方法，其特征在于，该方法包括：s1、启动电压源vdd供电，第一开关单元、第二开关单元中的mos管导通，给所述带隙基准电压电路提供启动电压和启动电流；
15.s2、所述带隙基准电压电路产生参考电压vref及偏置电流ib1、ib2，所述第一ldo电路在所述参考电压vref和偏置电流ib1的作用下启动，并输出偏置电压vreg_ana，所述第二ldo电路在所述参考电压vref和偏置电流ib1的作用下启动，并输出偏置电压vreg_dig，此时，第一开关单元、第二开关单元中的mos管截止，所述带隙基准电压电路与所述第一ldo电路形成第一导通回路，所述带隙基准电压电路与所述第二ldo电路形成第二导通回路；
16.s3、关闭所述带隙基准电压电路，所述mos管n1、n2重新启动。
17.一种射频开关，其包括壳体、封装于壳体内的射频开关芯片，所述射频开关芯片包括基板、分布于基板的电压转换器电路、电平转换器、振荡器及负压产生电路、驱动级、射频开关，所述电压转换器电路的输入端连接电压源vdd，输出端分别连接所述电平转换器、振荡器及负压产生电路、驱动级，所述电压转换器电路用于将所述电压源vdd转换为偏置电压vreg_ana、vreg_dig，并分别给所述电平转换器、驱动级提供偏置电压vreg_ana，给所述振荡器及负压产生电路提供偏置电压vreg_dig，所述电平转换器的输入端输入控制电压vctrl，所述电平转换器用于对所述控制电压vctrl进行转换，并输出控制电压信号bs对所述驱动级进行控制，所述振荡器及负压产生电路用于产生参考电压vneg，并给所述驱动级提供参考电压vneg，所述驱动级在所述控制电压信号bs、参考电压vneg的作用下产生驱动
信号对所述射频开关的开启或关闭进行控制，其特征在于，所述电压转换器电路为上述电压转换器电路。
18.采用本实用新型上述结构可以达到如下有益效果，该电压转换器电路中设置有第一分压单元、第二分压单元，第一分压单元包括电阻r1，第二分压单元包括若干串联的二极管，通过第一分压单元、第二分压单元对电压源vdd进行分压，获得基准电压v，该基准电压v添加至第一开关单元、第二开关单元的控制端，使第一开关单元、第二开关单元控制端与输入端的电压差减小，从而避免了第一开关单元、第二开关单元的耐压性差而损坏的问题出现，因此，第一分压单元、第二分压单元的设置，增加了整个射频开关芯片的耐压性，满足了高电压转换需求。并且，其无需增大第一开关单元、第二开关单元中的mos管的尺寸结构，即获得了相同的电流导通能力，因此，结构设计简单，减小了电压转换器的面积。
19.将该电压转换器电路应用于射频开关中，采用本技术的电压转换器电路结构后，电压转换器的面积大大减小，从而减少了电压转换器在射频开关芯片中的占用面积，简化了射频开关芯片的结构，同时保证了射频开关芯片可靠工作，满足了射频开关的微型化要求。
附图说明
20.图1为目前常用射频开关芯片的电路结构框图；
21.图2为目前常用射频开关芯片中电压转换器的电路结构框图；
22.图3为目前常用电压转换器中ldo电路的电路原理图；
23.图4为将图2中的mos管替换为至少两个堆叠mos管的电路原理图；
24.图5为本实用新型射频开关芯片的电路原理图；
25.图6为本发明电压转换器电路产生的偏置电压vreg_ana、vreg_dig、参考电压vneg的仿真图。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
27.目前，在射频开关芯片中，如图1所示，主要通过电压转换器将外部电源电压vdd转化成内部两组偏置电压vreg_ana和vreg_dig，这两组电压均需低于3v，以满足国家标准规定的mos管的2.5v安全工作电压要求。另外，外部控制电压信号vctrl高电平一般为1.6v～3.6v，也需经电平转换器转化成内部电压控制信号bs，其中bs的高电平等于vreg_ana，偏置电压vreg_dig给振荡器及负压产生电路供电，使其产生负压电路vneg，用于驱动射频开关开启或关闭的驱动级由vreg_ana和vneg共同供电作用，将控制信号bs转化成射频开关级的实际偏置电压vg1,vg2,vb1,vb2。
28.见图2，目前常用电压转换器主要包括依次连接的带隙基准电压电路(bandgap)、
ldo电路(ldo)，带隙基准电压电路(bandgap)、ldo电路(ldo)的输入端均连接电压源vdd，带隙基准电压电路(bandgap)用于产生参考电压vref，并给ldo电路(ldo)提供参考电压vref，ldo电路(ldo)的输出端输出电压vout，带隙基准电压电路(bandgap)、ldo电路(ldo)均工作在vdd(2.5v～5v)下。见图3，目前常用的ldo电路主要包括放大器opa、mos管m1、电阻r1、r2，放大器opa、mos管m1的电压源均为vdd，vdd高电压通常为2.5v～5v，mos管m1采用2.5v耐压器件的soi工艺，但当vdd为高压5v时，mos管m1极易因耐压性差而损坏，从而影响了整个射频开关芯片工作的可靠性。
29.以ldo电路的输出功率管pmos管m1为例，当vdd＝5v，vout＝2.5v时，输出功率管pmos工作在正常耐受范围之内；而当整个射频开关芯片工作在关闭状态时，ldo电路关闭，停止工作，此时，vdd＝5v,vout＝0v，输出功率管pmos m1的工作电压为5v，超过了正常电压范围(正常工作额定电压为2.5v)，导致器件损坏。解决上述mos管器件耐压性差而损坏的传统方式为将若干mos管堆叠设置，见图3，将输出功率管pmos m1拆分为两个pmos管m2和m3，其中vgate连接ldo运算放大器opa的输出端，vmid等于vdd/2。当射频开关芯片工作在关闭状态时，pmos管m2的漏极以及pmos管m3的源极电压约为vdd/2，这样pmos管m2和m3的工作电压均是vdd/2，因此，即使vdd高至5v，pmos管m2和m3也都工作在正常电压范围之内。
30.但将pmos管m1拆分为两个pmos管m2和m3的堆叠结构后，为了获取相同的电流导通能力，pmos管m2和m3的尺寸分别是pmos管m1的两倍，从而使射频开关芯片的面积增加了4倍，相类似的器件堆叠电路高压处理方式都出现在带隙基准电压电路和ldo电路的运算放大器中，极大的提高了整个射频开关芯片电路的结构复杂度，占用了更多的芯片面积。
31.针对现有技术中存在的射频开关芯片中mos管耐压性差，通过堆叠两个pmos管以提升射频开关芯片耐压性的方式，提高了整个射频开关芯片电路的结构复杂度，占用了更多的芯片面积，无法满足射频开关芯片的微型化要求的问题，本实用新型提供了一种电压转换器电路及射频开关的具体实施例，见图4，该电压转换器电路包括带隙基准电压电路1、第一ldo电路(ldo_ana)2、第二ldo电路(ldo_dig)3、第一分压单元4、与第一分压单元4串联的第二分压单元5、并联的第一开关单元6与第二开关单元7，第一分压单元4、第一开关单元6、第二开关单元7的输入端均连接电压源vdd，第一分压单元4的输出端分别连接第二分压单元7的输入端、第一开关单元6与第二开关单元7的控制端，第一开关单元6的输出端分别连接带隙基准电压电路1的输入端、第一ldo电路2的输入端，第二开关单元7的输出端连接第二ldo电路3的输入端，且带隙基准电压电路1的输出端分别连接第一ldo电路2、第二ldo电路3，第一分压单元4包括电阻r1，第二分压单元5包括若干串联的二极管，第一开关单元6、第二开关单元7均由mos管构成。
32.本实施例中，第二分压单元5包括四个依次串联的二极管d1～d4，第一开关单元6包括mos管n1，第二开关单元7包括mos管n2，mos管n1、n2均为nmos管。
33.该电压转换器电路还包括滤波单元8，滤波单元8包括电阻r2、r3，电压源vdd通过电阻r2连接第一开关单元6输入端，电压源vdd通过电阻r3连接第二开关单元7输入端。
34.见图4，电压转换器电路的具体电路结构为：电阻r1、r2、r3一端均连接电压源vdd、第一ldo电路的第一输入端，电阻r2、r3的另一端分别串联mos管n1、n2的源极，电阻r1另一端分别连接mos管n1、n2栅极、二极管d1阳极，mos管n1漏极输出偏置电压vreg_ana，并分别连接带隙基准电压电路的输入端、第一ldo电路的第二输入端，mos管n2漏极输出偏置电压
vreg_dig，并连接第二ldo电路的第一输入端，带隙基准电压电路的输出端包括：第一输出端～第四输出端，第一输出端、第二输出端、第三输出端分别输出电压参考电压vref、偏置电流ib1、ib2，第一输出端分别连接第一ldo电路、第二ldo电路，给第一ldo电路、第二ldo电路提供参考电压vref，第二输出端连接第一ldo电路，给第一ldo电路提供偏置电流ib1，第三输出端连接第二ldo电路，给第二ldo电路提供偏置电流ib2，二极管d4阴极、带隙基准电压电路的第四输出端、第一ldo电路的输出端、第二ldo电路的输出端均接地。
35.将上述电压转换器电路应用于射频开关中，射频开关包括壳体，封装于壳体内的射频开关芯片，射频开关芯片包括基板、分布于基板的电压转换器电路、电平转换器、振荡器及负压产生电路、驱动级、射频开关，电压转换器电路的输入端连接电压源vdd，输出端分别连接电平转换器、振荡器及负压产生电路、驱动级，电压转换器电路用于将电压源vdd转换为偏置电压vreg_ana、vreg_dig，并分别给电平转换器、驱动级提供偏置电压vreg_ana，给振荡器及负压产生电路提供偏置电压vreg_dig，电平转换器的输入端输入控制电压vctrl，电平转换器用于对控制电压vctrl进行转换，并输出控制电压信号bs对驱动级进行控制，振荡器及负压产生电路用于产生参考电压vneg，并给驱动级提供参考电压vneg，驱动级在控制电压信号bs、参考电压vneg的作用下产生驱动信号对射频开关的开启或关闭进行控制，本实施例中，电压转换器电路为图4所示电压转换器电路。
36.本实施例中电压源vdd为5v，mos管n1、n2的工作电压分别为1/2*vdd；电阻r1的电阻值为500千欧，电阻r2、r3的电阻值均为1千欧～2千欧，电阻r1阻值较大，用于对电压源vdd进行分压，电阻r2、r3的阻值较小，用于滤除电压源vdd中的噪声，提高该射频开关芯片的静电释放能力，从而进一步提升射频开关芯片工作的稳定性。
37.上述电压转换器电路的工作原理为：s1、启动电压源vdd供电，第一开关单元6中的mos管n1导通，给带隙基准电压电路1提供启动电压和启动电流，带隙基准电压电路1开始启动。mos管n1的栅极电压为第一分压单元、第二分压单元之间的电压，该电压为第一分压单元、第二分压单元对5v电压源vdd分压获得，第二分压单元包括四个串联的二极管d1～d4,若单个二极管的导通压降为0.7v，则四个串联二极管d1～d4的导通压降为2.8v，该电压即为基准电压v，此时，mos管n1的栅源极电压vgs1约为2.8v。mos管n1、n2的阈值电压vth均为0.4v，则偏置电压vreg_ana＝2.8v-0.4v＝2.4v，mos管n1、n2的额定工作电压为2.5v，因此，偏置电压vreg_ana小于额定工作电压，同理，计算获得偏置电压vreg_dig为2.4v，偏置电压vreg_dig小于额定工作电压，从而避免了mos管n1、n2耐压性差而损坏的问题出现。此时带隙基准电压电路1启动并建立到稳态。
38.s2、带隙基准电压电路1产生参考电压vref及偏置电流ib1、ib2，并分别给第一ldo电路2、第二ldo电路3提供参考电压vref和偏置电流ib1、ib2，第一ldo电路在参考电压vref、偏置电流ib1作用下启动，并输出偏置电压vreg_ana，第二ldo电路在参考电压vref、偏置电流ib1的作用下启动，并输出偏置电压vreg_dig，此时，第一开关单元、第二开关单元中的mos管n1、n2的栅源极电压vgs2为偏置电压vreg_ana与vgs1的差值：2.4v-2.8v＝-0.4v，因此，vgs2-vth＝-0.4-0.4＝-0.8v《0，从而使mos管n1、n2截止，此时，带隙基准电压电路与第一ldo电路形成第一导通回路，带隙基准电压电路与第二ldo电路形成第二导通回路，从而为后续电路提供可靠的偏置电压vreg_ana、vreg_dig。
39.s3、关闭带隙基准电压电路，mos管n1、n2重新启动。
40.图6给出了上述电压转换器在时钟信号clk控制作用下时，产生的偏置电压vreg_ana、vreg_dig、参考电压vneg的仿真图，图6中横轴表述时间(time)，纵轴分别表示偏置电压vreg_dig、偏置电压vreg_ana、时钟信号clk、参考电压vneg，从图6可以看出，在启动电压源vdd供电初期，在时钟信号clk控制作用下，偏置电压vreg_dig、偏置电压vreg_ana随时钟信号clk逐渐上升，带隙基准电压电路1启动并建立到稳态，即步骤s1；经过85微秒后形成第一导通回路、第二导通回路时，带隙基准电压电路1建立到稳态，此时参考电压vneg逐渐转换为需求电压-2.5v左右，带隙基准电压电路1建立到稳态，从而为后续电路提供可靠的偏置电压vreg_ana、vreg_dig。
41.采用本技术上述结构及方法具有以下优点：
42.(1)射频开关芯片中的电压转换器电路不需要堆叠多个大尺寸结构mos管器件，即可满足高电压转换需求，简化了电路复杂度，提高了工作可靠性，同时节省了芯片面积。
43.(2)相比于现有的直接由电压源vdd给带隙基准电压电路提供电源的方式，本技术电压转换器电路主要由第一ldo电路、第二ldo电路给带隙基准电压电路提供偏置电压vreg_ana、vreg_dig，该偏置电压vreg_ana、vreg_dig由将电压源vdd分压后获得，因此电压值小于电压源vdd，从而提高了射频开关芯片的电源抑制比，电源抑制比的提升有利于抑制输出电压中的噪声，进一步提高射频开关芯片工作的稳定性和可靠性。
44.通过第一分压电路、第二分压电路分压获得基准电压v，该基准电压v施加于mos管n1、n2栅极，使mos管n1、n2工作电压为：2.8v-0.4v＝2.4v，该工作电压低于额定工作电压2.5v，因此，第一分压电路、第二分压电路的设置确保了mos管n1、n2工作在正常工作电压范围之内，防止了mos管n1、n2因超过额定工作电压2.5v而损坏。
45.(3)mos管n1、n2的尺寸相对目前图3所示的pmos管m1、m2、m3的尺寸较小，从而节省了整个芯片面积。另外，经检测可知，在带隙基准电压电路处于关闭状态时，整个电压转换器电路的漏电流小于等于5ua，满足了射频开关芯片的设计需求。
46.以上的仅是本技术的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。